CN105762247A - 一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法:一,在衬底上制作AlN缓冲层;二,在AlN缓冲层上依次生长多组复合结构缓冲层,每组复合结构缓冲层中的AlN层和GaN层都使用脉冲法生长,并且生长AlN层时TMAl和NH3的脉冲周期都比生长上一个AlN层时的TMAl和NH3的脉冲周期递减1个,而生长GaN层时TMGa和NH3的脉冲周期都比生长上一个GaN层时的TMGa和NH3的脉冲周期递增1个,直至生长最后一组复合结构缓冲层中的AlN层时,TMAl和NH3的脉冲周期减小为0。本发明可以避免在GaN外延层中产生失配位错,从而提高器件的性能和寿命,同时能够精确控制外延层的厚度,提高原子的表面迁移率。
Description
技术领域
本发明涉及二极管技术领域,尤其是指一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法。
背景技术
现有技术中,为了在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法获得高质量的GaN外延层,通常需要在低温下沉积一层GaN或者AlN缓冲层,然后在缓冲层上生长GaN外延层。越来越多的研究表明,使用物理气相沉积(PVD)的方法,可以在衬底上形成更加均匀致密、与衬底结合力更强的AlN缓冲层。美国专利公开号为US20140264363A1公开了使用PVD法沉积具有XRD(002)FWHM<15弧秒且表面粗糙度<2nm的AlN膜。
在沉积AlN缓冲层后,需要使用MOCVD在AlN缓冲层上生长GaN外延层。由于AlN和GaN两者之间有2.5%的晶格失配,若直接在AlN缓冲层上生长GaN外延层,会在两种材料之间产生应力。该应力会随着GaN厚度的增加而逐渐积累,直到GaN的厚度超过临界厚度,应力将通过失配位错的方式被释放,而位于GaN外延层中的失配位错将严重影响器件的性能和寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,以避免在GaN外延层中产生失配位错,从而提高器件的性能和寿命,同时能够精确控制外延层的厚度,提高原子的表面迁移率,从而获得表面更加平整、厚度均匀性更好的外延层。
为达成上述目的,本发明的解决方案为:
一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,包括以下步骤:
一,在衬底上制作AlN缓冲层;
二,在AlN缓冲层上依次生长多组复合结构缓冲层,每组复合结构缓冲层中的AlN层和GaN层都使用脉冲法生长,并且生长AlN层时TMAl和NH3的脉冲周期都比生长上一个AlN层时的TMAl和NH3的脉冲周期递减1个,而生长GaN层时TMGa和NH3的脉冲周期都比生长上一个GaN层时的TMGa和NH3的脉冲周期递增1个,直至生长最后一层复合结构缓冲层中的AlN层时,TMAl和NH3的脉冲周期都减小为0。
进一步,AlN缓冲层采用PVD、MOCVD、HVPE(氢化物气相外延)或者ALD(原子层沉积)方法沉积在衬底上。
进一步,每一组复合结构缓冲层的AlN层的厚度小于其应力完全释放时的临界厚度。
进一步,每一组复合结构缓冲层的GaN层的厚度小于其应力完全释放时的临界厚度。
进一步,在多组复合结构缓冲层上外延生长功能层。
进一步,功能层由第一型导电层、有源层、电子阻挡层及第二型导电层构成,在多组复合结构缓冲层上依次外延生长第一型导电层、有源层、电子阻挡层及第二型导电层。
进一步,衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者硅衬底。
一种具有复合结构的氮化物缓冲层,在衬底上生长AlN缓冲层,在AlN缓冲层上依次生长由下层为AlN层和上层为GaN层构成的多组复合结构缓冲层,每一组复合结构缓冲层的厚度相同,多组复合结构缓冲层中的AlN层的厚度沿生长方向逐渐减小直至为零,多组复合结构缓冲层中的GaN层的厚度沿生长方向逐渐增大。
进一步,每一组复合结构缓冲层的AlN层的厚度小于其应力完全释放时的临界厚度。
进一步,每一组复合结构缓冲层的GaN层的厚度小于其应力完全释放时的临界厚度。
进一步,在多组复合结构缓冲层上外延生长功能层。
进一步,功能层由第一型导电层、有源层、电子阻挡层及第二型导电层构成,在多组复合结构缓冲层上依次外延生长第一型导电层、有源层、电子阻挡层及第二型导电层。
进一步,衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者硅衬底。
采用上述方案后,本发明在AlN缓冲层上依次生长由下层为AlN层和上层为GaN层构成的多组复合结构缓冲层,每一组复合结构缓冲层的厚度相同,多组复合结构缓冲层中的AlN层的厚度沿生长方向逐渐减小直至为零,多组复合结构缓冲层中的GaN层的厚度沿生长方向逐渐增大,从而能够调制AlN和GaN外延层中的应力,避免产生失配位错,进而提高器件的性能和寿命。
同时,本发明具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,能够精确控制外延层的厚度,提高原子的表面迁移率,从而获得表面更加平整、厚度均匀性更好的外延层。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2a和图2b是本发明AlN层与GaN层晶格失配状态示意图;
图3是本发明AlN层与GaN层晶格配合状态示意图;
图4是本发明的制作方法示意图。
标号说明
衬底1AlN缓冲层2
复合结构缓冲层3AlN层31
GaN层32。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
参阅图1至图3所示,本发明揭示的一种具有复合结构的氮化物缓冲层,在衬底1上有AlN缓冲层2。AlN缓冲层2可以采用PVD、MOCVD、HVPE(氢化物气相外延)或者ALD(原子层沉积)等方法沉积在衬底1上。
在AlN缓冲层2上依次生长由下层为AlN层31和上层为GaN层32构成的多组复合结构缓冲层3,具体为在AlN缓冲层2上生长第一组复合结构缓冲层3。第一组复合结构缓冲层3由第一AlN层31和第一GaN层32构成。然后在第一组复合结构缓冲层3上生长第二组复合结构缓冲层3。第二组复合结构缓冲层3由第二AlN层31和第二GaN层32构成。以此类推,在第二组复合结构缓冲层3上依次生长各组复合结构缓冲层,一直到第N组复合结构缓冲层3,N为正整数。第N组复合结构缓冲层3由第NAlN层31和第NGaN层32构成。在第N组复合结构缓冲层3上生长第N+1组复合结构缓冲层3。第N+1组复合结构缓冲层3由第N+1AlN层31和第N+1GaN层32构成。
沿着外延生长方向,定义第n组(n=1,2,…N,N+1)复合结构缓冲层的厚度为T(n),其中第nAlN层的厚度为A(n),第nGaN层的厚度为B(n),则T(n)、A(n)、B(n)满足关系式T(n)=A(n)+B(n),即T(1)=A(1)+B(1),T(2)=A(2)+B(2),...T(N)=A(N)+B(N),T(N+1)=A(N+1)+B(N+1)。为了调制复合结构缓冲层中的应力,每一组复合结构缓冲层3都具有相同的厚度,即T(n)满足关系式T(1)=T(2)=…=T(N)=T(N+1)。
每一组复合结构缓冲层3中的AlN层31的厚度都比上一组复合结构缓冲层3中的AlN层31的厚度减小,即A(n)满足关系式A(1)>A(2)>…A(N)>A(N+1),多组复合结构缓冲层3中的AlN层31的厚度沿生长方向逐渐减小直至为零,如图1所示,最上层复合结构缓冲层3中只包含GaN层32,而AlN层31的厚度为零,而最底层AlN层31的厚度最大。
每一组复合结构缓冲层3中的AlN层31的厚度都小于其应力完全释放时的临界厚度。
每一组复合结构缓冲层3中的GaN层32的厚度都比上一组复合结构缓冲层3中的GaN层32的厚度增大,即B(n)满足关系式B(1)<B(2)<…B(N)<B(N+1)。多组复合结构缓冲层3中的GaN层32的厚度沿生长方向逐渐增大。
每一组复合结构缓冲层3中的GaN层32的厚度都小于其应力完全释放时的临界厚度。
满足以上关系的复合结构缓冲层依次层叠生长,即沿着外延生长方向上,AlN层31的厚度逐渐减小,而GaN层32的厚度逐渐增大,直至第N+1层复合结构缓冲层3中,第N+1AlN层31的厚度减小为零,只剩下第N+1GaN层32。
在第N+1组复合结构缓冲层3上再依次外延生长第一型导电层、有源层、电子阻挡层、第二型导电层等功能层,构成半导体器件的完整外延结构。
如图2a所示,AlN在弛豫状态下的面内晶格常数为a0,GaN在弛豫状态下的面内晶格常数为b0,AlN的面内晶格常数a0小于GaN的面内晶格常数b0。若在AlN上外延生长GaN,则GaN会在生长平面内与AlN的晶格保持匹配,其实际的面内晶格常数为b。当GaN的厚度小于临界厚度h1时,其实际的面内晶格常数b介于a0和b0之间,即a0<b<b0。此时GaN的面内晶格被压缩,在GaN材料中产生了压应力。压应力的大小随GaN厚度的增加而增大。当GaN的厚度达到临界厚度h1时,压应力积累到了最大值,此时GaN晶格再也无法继续支撑压应力,便以失配位错的方式将压应力释放掉。释放掉压应力以后的GaN晶格处于弛豫状态,此时其实际面内晶格常数b就等于在弛豫状态下的面内晶格常数b0。
反过来,如图2b所示,若在GaN上外延生长AlN,则AlN会在生长平面内与GaN的晶格保持匹配,其实际的面内晶格常数为a。当AlN的厚度小于临界厚度h2时,其实际的面内晶格常数a介于a0和b0之间,即a0<a<b0。此时AlN的面内晶格被拉伸,在AlN材料中产生了张应力。张应力的大小随AlN厚度的增加而增大。当AlN的厚度达到临界厚度h2时,张应力积累到了最大值,此时AlN晶格再也无法继续支撑张应力,便以失配位错的方式将张应力释放掉。释放掉张应力以后的AlN晶格处于弛豫状态,此时其实际面内晶格常数a就等于在弛豫状态下的面内晶格常数a0。为了避免在GaN或者AlN中产生失配位错,就要求GaN或者AlN的厚度必须小于临界厚度。
如图1和图3所示,本发明所述具有复合结构的氮化物缓冲层,采用AlN/GaN交替生长的结构,每一层AlN层31都被夹在上下两层GaN层32的中间,最下层的AlN层31除外。如第二AlN层31被夹在第一GaN层32和第二GaN层32中间。因为GaN的面内晶格常数大于AlN,所以第一GaN层32和第二GaN层32会对夹在其中的第二AlN层31施加张应力,使得第二AlN层31的面内晶格常数增大。又由于第二AlN层31的厚度小于临界厚度,施加在第二AlN层31上的张应力无法完全释放,因此不会产生失配位错。在生长方向上,每一组复合结构缓冲层3中的AlN层31的厚度都比上一组复合结构缓冲层3中的AlN层31的厚度减小,而每一组复合结构缓冲层3中的GaN层32的厚度都比上一组复合结构缓冲层3中的GaN层32的厚度增大,因此施加在AlN上的张应力随着复合结构缓冲层3的层数增加而越来越大,AlN的实际面内晶格常数也越来越大。直至第N组复合结构缓冲层3中,第NAlN层31的晶格常数被拉伸至与GaN晶格处于弛豫状态时的晶格常数相等,此时生长于第NAlN层31上的第NGaN层32也处于弛豫状态。生长于第N组复合结构缓冲层3上的第N+1组复合结构缓冲层3中,第N+1AlN层31的厚度减小为零,只剩下第N+1GaN层32,其也处于弛豫状态。
如图1和图4所示,本发明还公开一种具有复合结构的氮化物缓冲层的制作方法,在衬底1上制作AlN缓冲层2。AlN缓冲层2可以采用PVD、MOCVD、HVPE(氢化物气相外延)或者ALD(原子层沉积)等方法沉积在衬底1上。在AlN缓冲层2上生长第一组复合结构缓冲层3。第一组复合结构缓冲层3由第一AlN层31和第一GaN层32构成。在生长第一组复合结构缓冲层3中的第一AlN层31时,采用脉冲法依次通入TMAl和NH3,脉冲周期为N。在第一AlN层31生长结束后,紧接着采用脉冲法依次通入TMGa和NH3,脉冲周期为1,用来生长第一层复合结构缓冲层3中的第一GaN层32。然后在第一组复合结构缓冲层3上生长第二组复合结构缓冲层3。第二组复合结构缓冲层3由第二AlN层31和第二GaN层32构成。首先采用脉冲法依次通入TMAl和NH3,脉冲周期为N-1,生长第二组复合结构缓冲层3中的第二AlN层31。紧接着采用脉冲法依次通入TMGa和NH3,脉冲周期为2,生长第二层组复合结构缓冲层3中的第二GaN层32。以此类推,在第二组复合结构缓冲层3上依次生长各组复合结构缓冲层。每组复合结构缓冲层中的AlN层和GaN层都使用脉冲法生长,并且生长AlN层时TMAl和NH3的脉冲周期都比生长上一个AlN层时的TMAl和NH3的脉冲周期递减1个,而生长GaN层时TMGa和NH3的脉冲周期都比生长上一个GaN层时的TMGa和NH3的脉冲周期递增1个。直到生长于第N组复合结构缓冲层3上的第N+1组复合结构缓冲层3,在使用脉冲法生长第N+1AlN层31时,TMAl和NH3的脉冲周期都减小为0,即第N+1AlN层31的厚度减小为零,因此第N+1组复合结构缓冲层3中只剩下第N+1GaN层32。采用脉冲法依次通入TMGa和NH3,脉冲周期为N+1,生长第N+1组复合结构缓冲层3中的第N+1GaN层32。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非对本案设计的限制,凡依本案的设计关键所做的等同变化,均落入本案的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,其特征在于:包括以下步骤:
一,在衬底上制作AlN缓冲层;
二,在AlN缓冲层上依次生长多组复合结构缓冲层,每组复合结构缓冲层中的AlN层和GaN层都使用脉冲法生长,并且生长AlN层时TMAl和NH3的脉冲周期都比生长上一个AlN层时的TMAl和NH3的脉冲周期递减1个,而生长GaN层时TMGa和NH3的脉冲周期都比生长上一个GaN层时的TMGa和NH3的脉冲周期递增1个,直至生长最后一组复合结构缓冲层中的AlN层时,TMAl和NH3的脉冲周期都减小为0。
2.如权利要求1所述的一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,其特征在于:AlN缓冲层采用PVD、MOCVD、HVPE或者ALD方法沉积在衬底上。
3.如权利要求1所述的一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,其特征在于:每一组复合结构缓冲层的AlN层的厚度小于其应力完全释放时的临界厚度。
4.如权利要求1所述的一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,其特征在于:每一组复合结构缓冲层的GaN层的厚度小于其应力完全释放时的临界厚度。
5.如权利要求1所述的一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,其特征在于:在多组复合结构缓冲层上外延生长功能层。
6.如权利要求5所述的一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,其特征在于:功能层由第一型导电层、有源层、电子阻挡层及第二型导电层构成,在多组复合结构缓冲层上依次外延生长第一型导电层、有源层、电子阻挡层及第二型导电层。
7.如权利要求1所述的一种具有复合结构的氮化物缓冲层制作方法,其特征在于:衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者硅衬底。
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